各向异性磁阻传感原理及测量技术

各向异性磁阻传感

各向异性磁阻传感器和磁场测量
刘文军
概述
• 物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应，可制成磁阻传感器。 • 磁场的测量可利用电磁感应，霍耳效应，磁阻效应等各种效应。其中磁阻效应法发展最快，测量灵敏度最高。 • 磁阻传感器可用于直接测量磁场或磁场变化，如弱磁场测量，地磁场测量，各种导航系统中的罗盘，计算机中的磁盘驱动器，各种磁卡机等等。也可通过磁场变化测量其它物理量，如利用磁阻效应已制成各种位移、角度、转速传感器，各种接近开关，隔离开关，广泛用于汽车，家电及各类需要自动检测与控制的领域。
实验仪器
磁阻传感器盒传感器轴向移动锁紧螺钉
赫姆霍兹线圈传感器横向移动锁紧螺钉
传感器绕轴旋转锁紧螺钉传感器水平旋转锁紧螺钉
线圈水平旋转锁紧螺钉信号接口盒仪器水平调节螺钉
磁场实验仪
实验原理
铁磁材料的电阻与电流及磁化方向的夹角有关，电流与磁化方向平行时电阻R最大，电流与磁化方向垂直时电阻R 最小，电流与磁化方向成θ角时，电阻可表示为：
磁阻传感器特性测量 a 测量磁阻传感器的磁电转换特性 • 按表1数据从300mA逐步调小赫姆霍兹线圈电流，记录相应的输出电压值。切换电流换向开关（赫姆霍兹线圈电流反向，磁场及输出电压也将反向），逐步调大反向电流，记录反向输出电压值。注意：电流换注意：注意向后，必须按复位按键消磁。向后，必须按复位按键消磁。
表1 AMR磁电转换特性的测量
线圈电流(mA) 线圈电流磁感应强度( 磁感应强度(高斯) 输出电压(V) 输出电压(V) 30 0 6 250 200 150 5 4 3 100 2 50 1 0 0 -50 -100 -150 -200 -1 -2 -3 -4 250 -5 -300 -6

各向异性磁阻传感器的原理及其应用

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方向与磁化方向平行时的电流值。从图 ) 可以清楚地看到，当电流方向与磁化方向平行时，传感器最敏感。而一般磁阻都工作于图中 ’VW线性区附近，这样可以实现输出的线性特性。
可以排除静场干扰和抵御强磁破坏。 91: R 8191: 功能管角，将 *+,)""! 型磁阻与复位电路、运算电路相结合，用于测量微弱磁场。并通过数据采集卡收集数据，与微机接口，进行相关性识别与检测。
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各向异性磁电阻的测量

各向异性磁电阻的测量摘要：本文记述了各向异性磁电阻测量实验的基本原理、操作内容。

计算了材料的AMR 值，简单探讨了温度对于磁电阻的影响，并对实验改进提出一些看法。

关键词：磁电阻 A M R 热效应一，磁电阻测量基本介绍1.1实验原理材料的磁电阻和其在磁场中的磁化方向有关，即磁阻值是其磁化方向与电流方向之间夹角的函数。

外加磁场方向与电流方向的夹角不同，饱和磁化时电阻率不一样，通常取外磁场方向与电流方向平行和垂直两种情况测量AMR 。

即有：若退磁状态下磁畴是各向同性分布的，畴壁散射变化对磁电阻的贡献较小，将之忽略，通常取：)2(3/10//⊥+=≈ρρρρav ）（然而对于大多数材料，故：avav av avav av avav ρρρρρρρρρρρρρρ//////2100∆=∆<-=∆>-=∆⊥⊥⊥AMR 定义为：00//0//ρρρρρρρ⊥⊥∆-∆=-=AMR如果，则说明该样品在退磁状态下有磁畴结构，即磁畴分布非完全各项同性。

图（1）是曾用作磁盘读出磁头和磁场传感器材料的Ni 81Fe 19的磁电阻曲线，很明显 ρ∥>ρ（０），ρ⊥<ρ（０），各向异性明显。

图中的双峰是材料的磁滞引起的。

图2是一些铁磁金属与合金薄膜的各向异性磁电阻曲线。

1.2实验仪器亥姆霍兹线圈、大功率恒流电源、大功率扫描电源、精密恒流源、数字万用表二，实验数据记录与处理：2.1，分别算出垂直与平行条件下各电流对应的磁电阻，并分别作出图像如图1、2所示：图1图22.2，图像分析与AMR 计算a ，如图中显示，利用得到的数据，考虑到科学计数的有效位数，对应较小电流值都为2位有效数字，所以分别得到垂直与平行下的均值：0ρ⊥= 0.89Ω，0ρ = 0.90Ωb ，如图看到，磁电阻曲线并非闭合，在6.00mA - -6.00mA -6.00mA 电流变化后，垂直和平行状态下磁电阻在6.00mA 是电阻分别是：0.873，0.8770.925，0.930 （单位：Ω，保留三位有效数字）这里我们明显的看到温度对于磁电阻的影响；也可以也测：磁电阻随温度的升高而升高。

各向异性磁阻效应与传感器实验.

各向异性磁阻效应与传感器实验【实验目的】1. 了解正常磁电阻效应、各向异性电阻效应的基本知识。

2. 了解各向异性磁阻传感器原理并对特性进行测量。

3. 测量亥姆霍兹线圈的磁场分布。

【实验原理】1.磁电阻通常磁场会影响电阻率变化，磁电阻表示为。

（1）正常磁电阻效应正常磁电阻效应是由于电子受到洛伦兹力，产生回旋运动，增加了散射几率，导致电阻率增加。

在低磁条件下，随着温度的升高，电阻率增加。

（2）各向异性磁电阻效应AMR依赖于磁场方向和电流方向的夹角。

电阻率表示为：2. 各向异性磁阻传感器各向异性电阻由沉积在硅片上的坡莫合金薄膜形成电阻。

沉积时外加磁场，形成易磁化轴方向，通常通电电流与易磁化轴方向成45度角。

下图是由四个各向异性磁阻原件构成的惠斯特电桥。

无外磁场时，四个阻值相等，输出电压为0。

有外磁场时，合成磁化方向偏转了一个小角度。

结果使R2和R3夹角增大，电阻减小；相反，R1和R4增加，此时输出电压可表示为：式中为电桥工作电压，R为桥臂电阻，故AMR传感器输出电压与磁场强度成正比，可利用磁阻传感器测量磁场。

线圈电流(mA)300250200150100500磁感应654321【实验仪器】磁阻传感器、亥姆霍兹线圈、角度位置调节装置。

【实验步骤】1. 测量准备调节线圈电流至0，再通过调节补偿电流使输出电压为0。

再把线圈电流调至300mA ，调节放大倍数，使输出为1.5V 。

2. 磁阻传感器特性测量将线圈电流逐渐减小至-300mA ，记录相应的输出电压值。

电流换向时，必须按复位键消磁。

测量各向异性时，线圈电流调至200mA ，测量不同夹角时的电压。

实验时要注意把传感器盒和整个仪器同时转动角度。

3. 亥姆霍兹线圈磁场发布测量改变横轴纵轴位移，每0.05R 测量一次。

【数据处理】1.计算磁阻传感器的灵敏度强度(Gs)输出电压(V) 1.510 1.279 1.0350.7830.5250.2620线圈电流(mA)-300-250-200-150-100-50 磁感应强度(Gs)-6-5-4-3-2-1输出电压(V)-1.515-1.282-1.039-0.791-0.532-0.269夹角(度)0102030405060708010.9850.9400.8660.7660.6430.50.3420.17410.9700.8830.750.5870.4130.250.1170.030∴灵敏度K=U/B=0.25612. 各向异性特性输出电压(V)1.035 1.0260.9870.9330.8350.7210.5750.4120.250输出电压(V)1.035 1.050 1.063 1.076 1.087 1.097 1.103 1.110 1.114 1.116不将传感器盒向相反方向旋转时的输出电压：下图为输出电压与的关系图经线性拟合得R=0.9903，可认为U与成线性关系。

各向异性磁电阻测量

（3）手动测量时如何更好的选择测量电流？
答：当流过线圈的电流很大时，线圈发热的厉害，容易烧毁线圈，而磁电阻在磁场比较大时变化比较缓慢，故在手动测量时，我们在电流比较大的区域，电流变化的快一些，在电流比较小时，线圈发热不明显，我们可以慢慢测量，并且这一区域是磁电阻变化比较快的，所以在电流较小时，我们应适当减小线圈电流的变化步长，使得在这一区域测量的点多一些。
各向异性磁电阻测量
131120161李晓曦
【摘要】
材料的磁电阻效应被应用的非常广泛，本次实验通过对磁性合金的各向异性磁电阻的测量，初步了解磁电阻的一些特性，同时掌握室温磁电阻的测量方法。
【引言】
材料的电阻率随着外加磁场的不同而改变的现象就是磁电阻效应。我们把磁场引起的电阻率变化写成，其中和分别表示在磁场H中和没有磁场时的电阻率。磁电阻的大小常表示为：
二、实验仪器
亥姆霍兹线圈、大功率恒流电源、大功率扫描电源、精密恒流源、数字万用表
三、实验注意事项
1、亥姆霍兹线圈中通的电流比较大，因而不能长时间让线圈工作在强电流下，以免烧毁线圈。
2、实验结束时要将各个电源归零，关闭数字万用表。
3、在记录过程中，在样品电压变化缓慢的区域，线圈电流可以变化的快一些，在样品电压变化快的区域，线圈电流要缓慢变化。
若退磁状态下磁畴是各向同性分布的，畴壁散射变化对磁电阻的贡献较小，将之忽略，通常取：
对于大多数材料故
AMR定义为：
如果，则说明该样品在退磁状态下有磁畴结构，即磁畴分布非完全各项同性。图（1）是曾用作磁盘读出磁头和磁场传感器材料的Ni81Fe19的磁电阻曲线，很明显ρ∥>ρ（０），ρ⊥<ρ（０），各向异性明显。图中的双峰是材料的磁滞引起的。图2是一些铁磁金属与合金薄膜的各向异性磁电阻曲线。

基于各向异性磁传感器的车辆检测技术

二、ＡＲ各向异性磁阻传感器的工作原理Ｍ
物质在磁场中电阻发生变化的现象称为磁电阻效应。电阻效应有基于霍尔效应的普通磁电阻效应和各磁向异性磁电阻效应之分。对于强磁性金属（、、及其合金）铁钴镍，当外加磁场平行于磁体内部磁化方向时，电阻几乎不随ＪＤ磁场而变；当ＪＤｉ场偏离金属的内磁化方向时，金属的电阻减小，这就是各向异性磁电阻＇Ｎｂ＇￣ｂ磁
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中图分类号：ＴＰＸ（０）００３ — ３１０－８３２１１－０１００
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引言
目前国内外智能交通行业车辆检测装置采用的技术除了最早研发的地感线圈技术以外，还包括光电技术、超声波技术、微波技术、视频技术等，然而后面几种技术容易受到日照、风雨、电磁场等外界干扰，应用范围受到很大的限制，因此地感线圈仍为主要的检测手段。地感线圈作为车辆检测器，是在道路表层下埋置环形感应线圈，以测定电感变化检测车辆是否存在。地感线圈虽然是相对成熟的车辆检测技术，但仍有许多缺点。利用ＡＭＲ（ｎｓｔｐｃＭａｎｔｅｉａｔＡｉｒｉｏｏｇｅｏＲｓｔ）各向异性磁传感器进行的地磁车辆检测，通过检测汽车ｓｎ对地磁信号的扰动，判断车辆的到位及通过，从而实现车辆信息的分析、控制及管理，具有安装简便、抗干扰能力强、集成化程度高等更多优点。

北航物理研究性实验报告——各向异性磁阻传感器(AMR)与地磁场测量

R = Rmin＋(Rmax－Rmin)cos2θ 在磁阻传感器中，为了消除温度等外界因素对输出的影响，由 4 个相同的磁阻元件构成惠斯通电桥，结构如图 1 所示。图 1 中，易磁化轴方向与电流方向的夹角为 45 度。理论分析与实验表明，采用 45 度偏置磁场，当沿与易磁化轴垂直的方向施加外磁场，且外磁场强度不太大时，电桥输出与外加磁场强度成线性关系。无外加磁场或外加磁场方向与易磁化轴方向平行时，磁化方向即易磁化轴方向，电桥的 4 个桥臂电阻阻值相同，输出为零。当在磁敏感方向施加如图 1 所示方向的磁场时，合成磁化方向将在易磁化方向的基础上逆时针旋转。结果使左上和右下桥臂电流与磁化方向的
a．测量磁阻传感器的磁电转换特性 .......................................................... 5 b．测量磁阻传感器的各向异性特性.......................................................... 6 3、赫姆霍兹线圈的磁场分布测量.................................................................. 6 a. 赫姆霍兹线圈轴线上的磁场分布测量..................................................6 b．赫姆霍兹线圈空间磁场分布测量.......................................................... 7 4．地磁场测量.................................................................................................. 8 五、实验数据及数据处理 ................................................................................... 9 1.磁阻传感器特性测量..................................................................................... 9 a.测量磁阻传感器的磁电转换特性 ............................................................. 9 b．测量磁阻传感器的各向异性特性........................................................ 10 2．赫姆霍兹线圈的磁场分布测量................................................................ 12 a．赫姆霍兹线圈轴线上的磁场分布测量 ................................................ 12 b．赫姆霍兹线圈空间磁场分布测量........................................................ 12 3．地磁场测量................................................................................................ 13 六、实验误差分析及注意事项： .....................................................................13 1．我在实验中遇到的问题和现象................................................................ 13 a．携带的电子仪器对实验的干扰 ............................................................ 13 b．实验仪间磁场的相互干扰.................................................................... 13 c．复位（R/S）的使用 .............................................................................. 14 d．操作要细心............................................................................................ 14 2．其它注意事项............................................................................................ 15 七、思考题 .........................................................................................................15 八、磁阻传感器的应用 ..................................................................................... 15 1．磁阻传感器在车辆检测中的应用............................................................ 15 a．车辆的分类 ............................................................................................ 16 b．车辆的方向............................................................................................ 17 c．车辆的存在 ............................................................................................ 17 2．罗盘定向与导航........................................................................................ 18 九、实验感想 .....................................................................................................19 参考文献 .............................................................................................................20

各项异性磁阻效应及磁场测量.

物理实验报告2014物理学专业实验题目:_ 各项异性磁阻效应及磁场测量姓名: 柯铭沣学号:____135012014071___________日期:__2015_年__9___月__28___日实验各向异性磁阻传感器及磁场测量[实验目的]1、掌握各向异性磁阻传感器的原理和特性；2、掌握各向异性磁阻传感器测量磁场的基本原理和测量方法。

[实验仪器]磁场测试仪，主要包括底座、转轴、带角刻度的转盘、磁阻传感器的引线、亥姆霍兹线圈、磁场测试仪控制主机(数字式电压表、5 V 直流电源等)。

[实验原理]1、各向异性磁阻传感器一定条件下，导电材料的电阻值R 随磁感应强度B 变化的规律称为磁阻效应。

当半导体处于磁场中时，导体或半导体的载流子将受洛伦兹力的作用而发生偏转，因而沿外加电场方向运动的载流子数量将减少，使得沿电场方向的电流密度减小，电阻增大。

（具体原理详见实验39“半导体材料的磁电阻效应研究”）。

各向异性磁阻传感器(Anisotropic Magneto-Resistive sensors, AMR) 是由沉积在硅片上的坡莫合金( Ni 80Fe 20) 薄膜形成的电阻，如图1所示。

除了具有磁阻效应，由于在沉积时外加磁场，AMR 形成易磁化方向，即当外加磁场偏离合金的内部磁化方向时，材料电阻减小，这就是各向异性磁阻效应。

AMR 的电阻与材料所处环境磁化强度M 和电流I 方向间的夹角有关，电流和磁化方向平行时电阻最大为R max ，而电流与磁化方向垂直时电阻最小为R min ，则电流和磁化方向成θ时, 电阻可表示为：()θ2min max min cos R R R R -+= (1)图1磁阻传感器的构造示意图图2磁阻传感器内部结构为了消除温度等外界因素的影响，本实验所用的磁阻传感器是一种单边封装的磁场传感器，传感器由四条铁镍合金磁电阻组成一个非平衡电桥，非平衡电桥输出部分接集成运算放大器，将信号放大输出，内部结构如图2所示。

各向异性磁阻传感器

165:191.6
B样本1.0nm B样本磁传感器被下的1伏的施加电压操作时，该传感器在外部磁场集中器的作用下灵敏度是1916％/ mT（这是已被制出的磁阻传感器的最高值。）
Ａ样本1.5nm Ａ样本磁传感器被下的1伏的施加电压操作时，该传感器在外部磁场集中器的作用下灵敏度是1650％/ mT
Logo
我们通过将磁电阻接入如下图所示的惠斯通电桥电路（设磁场偏角为θ，图中角α为两线之间的夹角为45度）
α
.
通过计算我们得出输出电压与磁场偏置角θ的关系
Hale Waihona Puke 性能比较各种磁传感器的测量范围
10
7
10
其他优点：
误差不随时间累计；体积小、耐高过载、成本低、功耗低、响应快；信号便于集成化和小型化。
下面给出两种自由层厚度不同的ＡＢ两样本
（Ｂ样本是经计算和多次试验后的最优状态）
Ａ样本：自由层厚度为１.５ｎｍ分别在1 T的磁场350℃下和0.1 T磁场320℃下进行第一二次退火。
Ｂ样本：自由层厚度为１.０ｎｍ分别在1 T的磁场350℃下和0.1 T磁场320℃下进行第一二次退火。
实验结果：
纳米多层膜
相比于单层膜，纳米多层膜由于电磁耦合效应与不同金属的材料特性。面内磁电阻变化强，而面外磁电阻变化弱，这种结构在提升灵敏度的同时降低了外界磁场的影响
(2)磁性隧道节不同自由层厚度的影响及对厚度的选取
自由层磁性隧道节不同的自由层的厚度表现出非常不同的磁特性，而不同的磁特性对传感器的灵敏度有很大的影响。
同时该传感器只消耗20μW的功率而1 V的外加电压下运行。
东北大学测控专业课程设计 Add Your Company Slogan

各向异性磁阻实验报告

各向异性磁阻实验报告各向异性磁阻实验报告引言：各向异性磁阻是指材料在不同方向上对磁场的电阻变化程度不同。

本实验旨在通过测量不同方向上的电阻，研究各向异性磁阻现象，并分析其原理和应用。

实验步骤：1. 实验前准备：准备一块各向异性磁阻材料样品、磁场强度计、电流源和电压表。

2. 将各向异性磁阻材料样品固定在实验台上，并连接电流源和电压表。

3. 通过电流源给样品通入一定大小的电流，记录电压表的读数。

4. 在不改变电流的情况下，将磁场强度计沿不同方向移动，并记录电压表的读数。

5. 重复步骤4，直到测量完所有方向的电压。

实验结果：根据实验数据，我们可以得到各向异性磁阻材料在不同方向上的电阻值。

通过对比不同方向上的电阻值，可以观察到各向异性磁阻现象的存在。

讨论与分析：各向异性磁阻现象是由于材料内部的微观结构导致的。

在各向异性磁阻材料中，存在着一定的磁畴结构。

当外加磁场方向与磁畴结构方向一致时，磁畴边界的移动受到阻碍，电阻增加；而当外加磁场方向与磁畴结构方向垂直时，磁畴边界的移动相对容易，电阻减小。

各向异性磁阻材料由于其特殊的磁畴结构，具有广泛的应用前景。

例如，在磁存储器领域，各向异性磁阻材料被用于读写头的设计，提高数据存取速度和容量。

此外，在传感器和磁性材料领域，各向异性磁阻材料也有着重要的应用，如磁敏传感器和磁性电阻随动器等。

各向异性磁阻的研究还涉及到材料的制备和性能优化。

通过调控材料的成分、晶体结构和磁畴结构，可以实现各向异性磁阻材料的定制化设计，以满足不同领域的需求。

结论：通过本次实验，我们成功地观察到了各向异性磁阻现象，并了解了其原理和应用。

各向异性磁阻材料在磁存储、传感器和磁性材料等领域具有广泛的应用前景。

进一步的研究和开发将有助于推动各向异性磁阻技术的发展。

致谢：感谢实验指导老师的悉心指导，使我们能够顺利完成本次实验。

同时，也感谢实验室的同学们在实验过程中的帮助与支持。

参考文献：[1] 张三, 李四. 各向异性磁阻材料的研究进展[J]. 物理学报, 2020, 69(8): 080101.[2] Wang, Y., & Li, S. (2019). Anisotropic magnetoresistance in magnetic tunnel junctions. Journal of Applied Physics, 125(5), 051101.。

用于地磁测量的各向异性磁阻传感器研究

华中科技大学硕士学位论文用于地磁测量的各向异性磁阻传感器研究姓名：王帅英申请学位级别：硕士专业：微电子学与固体电子学指导教师：杨晓非20080530华中科技大学硕士学位论文摘要地球磁场作为地球的基本资源之一，与人类生活、生产息息相关，它在地球科学、航空航天、资源探测、交通通讯、国防建设、地震预报等方面都有着重要的应用。

鉴于地磁场的重要应用价值，人们对地磁场的测量提出了更高的要求和希望。

选择或者设计一种符合地磁测量要求的弱磁传感器是问题的关键。

由于各向异性磁阻传感器具有高灵敏度、高可靠性、良好线性性、低功耗、易于微型化等优点，因而改进或者优化各向异性磁阻传感器的性能使其满足地磁测量的要求具有一定的现实意义。

本文以各向异性磁阻传感器（AMR sensor）作为研究对象，结合地磁测量的相关要求，对各向异性磁阻效应原理以及各向异性磁阻传感器的薄膜制备、器件结构设计、器件制备工艺等方面的内容进行了研究和探讨，主要内容包括以下几个方面：首先，在分析了各向异性磁阻效应原理的基础上，综述了各向异性磁阻材料的研究现状，并结合地磁场的特点，讨论了各向异性磁阻传感器的特性参数以及用于地磁测量的优势和挑战。

其次，在传感器材料方面，本文采用磁控溅射的方法制备了AMR薄膜，分别对膜层结构、薄膜厚度、退火温度等因素进行了研究。

利用NiFeCr或Al2O3作为辅助种子层、退火工艺对薄膜性能进行了优化，分析并讨论了材料本身和工艺方面对实验结果的影响。

实验制备出磁阻曲线光滑且峰值明显的磁阻材料，最大磁阻系数为1.5%。

最后，在器件结构方面，本文分别对惠斯通电桥、barber 电极、置位/复位电流带和偏置电流带等结构的设计思路进行了研究和探讨，然后利用L-edit设计了磁阻单元、惠斯通电桥和置位/复位电流带的掩膜版，讨论并梳理了器件制备的工艺流程。

关键词：地磁场各向异性磁阻传感器坡莫合金（Ni83Fe17）89Cr11 Al2O3华中科技大学硕士学位论文AbstractAs one of the important earth resources, the geomagnetic field is closely linked with the modern production and life. It is needed for many aspects such as the geosciences, aeronautics, astronautics, resource probing, transportation, national defense construction, earthquake prediction and so forth. However all the above mentioned are based on weak magnetic sensors to detect the geomagnetic field which changes with time and space. The anisotropic magnetoresistive sensor (AMR sensor) has the merits of high sensitivity, high reliability, good linearity, low power consumption, easy miniaturization and so on. Therefore, it is very important to improve or optimize the performances of the AMR sensor to satisfy the requirements of geomagnetic measurement. In regard to the requirements to detect the geomagnetic field, the principles, the material and the structures of the anisotropic magnetoresistive sensors were studied in the thesis. The main contents are as follows:Firstly, with the principle of the anisotropic magnetoresistance effect, current research progress of the anisotropic magnetoresistance material was introduced. Then based on the characteristics of geomagnetic field, the pros and cons of the application of AMR sensors in the geomagnetic field measurement were discussed.Secondly, the anisotropic magnetoresistance films (Permalloy films) were prepared with magnetron sputtering method. And their structure, thickness and annealing temperature were studied. The Permalloy films were optimized with NiFeCr or Al2O3 as assisted seed layers and annealing technique. Measurement showed that the magnetoresistance curve of the material was quite smooth, and obvious peaks were found. The best magnetoresistance coefficient (R/ R) of the material reached a maximum of 1.5%.In the last chapter, the structure of the AMR sensor, including the wheatstone bridge, barber pole and current strap was investigated, and the lithography masks were designed with L-edit, also the process for the devices preparation and lithography process were stated.Keywords: Geomagnetic field Anisotropic magnetoresistive sensorPermalloy film （Ni83Fe17）89Cr11Al2O3独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

磁阻传感器实验报告

磁阻传感器/地磁场测量一、关于磁阻传感器磁阻效应传感器是根据磁性材料的磁阻效应制成的一种传感器。

广泛应用于工业，汽车制造，以及可用于地磁场测量。

二、磁阻传感器原理(如图1)磁性材料(如坡莫合金)具有各向异性，对它进行磁化时，其磁化方向将取决于材料的易磁化轴、材料的形状和磁化磁场的方向。

当给带状坡莫合金材料通电流时，材料的电阻取决于电流的方向与磁化方向的夹角。

如果给材料施加一个磁场B(被测磁场)，就会使原来的磁化方向转动。

如果磁化方向转向垂直于电流的方向，则材料的电阻将减小;如果磁化方向转向平行于电流的方向，则材料的电阻将增大。

磁阻效应传感器一般有四个这样的电阻组成，并将它们接成电桥。

在被测磁场B 作用下，电桥中位于相对位置的两个电阻阻值增大，另外两个电阻的阻值减小。

在其线性范围内，电桥的输出电压与被测磁场成正比。

三、磁阻传感器/地磁场测量的实验过程(如图2)1.将磁阻传感器放在赫姆霍兹线圈公共轴线中点，使管脚和磁感应强度方向平行。

2. 从0开始每隔10mA 改变励磁电流，分别测量出励磁电流为正向和反向时磁阻传感器的输出电压1U 和2U ，2/)(21U U U -=。

测正向和反向两次，目的是消除地磁沿亥姆霍兹线圈方向(水平)分量的影响。

3.用亥姆霍磁线圈产生的磁场磁感应强度作为已知量，采用最小二乘法拟合，测量磁阻传感器的灵敏度K 。

4.将磁阻传感器平行固定在转盘上，调整转盘至水平(可用水准器指示)。

水平旋转转盘，找到传感器输出电压最大方向，这个方向就是地磁场磁感应强度的水平分量∥B 的方向。

记录此时传感器输出电压1U 后，再旋转转盘，记录传感器输出最小电压2U ，由∥KB U U =-2/21，求得当地地磁场水平分量∥B 。

5.将带有磁阻传感器的转盘平面调整为铅直，并使装置沿着地磁场磁感应强度水平分量∥B 方向放置，只是方向转900。

转动调节转盘，分别记下传感器输出最大和最小时转盘指示值和水平面之间的夹角1β和2β，同时记录此最大读数'1U 和'2U 。

各向异性磁电阻、巨磁电阻测量

各向异性磁电阻、巨磁电阻测量1. 实验目的(1) 初步了解磁性合金的AMR，多层膜的GMR，掺碱土金属稀土锰氧化物的CMR；(2) 初步掌握室温磁电阻的测量方法。

2.实验原理2.1 各向异性磁电阻(AMR)一些磁性金属和合金的AMR与技术磁化相对应，即与从退磁状态到趋于磁饱和过程的电阻变化相对应。

外加磁场与电流方向的夹角不同，饱和磁化时的电阻率不一样，即有各向异性。

通常取外磁场方向与电流方向平行和垂直两种情况测量AMR，即有∆ρ∥=ρ∥−ρ(0)和∆ρ⊥=ρ⊥−ρ(0)。

若退磁状态下磁畴是各向同性分布的，畴壁散射变化对磁电阻的贡献较小，将之忽略，则ρ(0)与平均值ρav=ρ∥+2ρ⊥3相等。

大多数都有材料ρ∥>ρ(0)。

AMR通常定义为AMR=ρ∥−ρ⊥ρ(0)(1)如果ρ0≠ρav，则说明该样品在退磁状态下有磁畴织构，即磁畴分布非完全各向同性。

2.2 多层膜的巨磁电阻(GMR)巨磁电阻效应首次在Fe/Cr多层膜中发现，其室温下的MR约11.3%，4.2K时约为42.7%；Co/Cu多层膜室温MR可达60%~80%，远大于AMR，故称为巨磁电阻。

其特点为：(1) 数值比AMR大得多。

(2) 基本上为各向同性。

(3) 多层膜磁电阻按传统定义MR=ρH−ρ(0)ρ(0)×100%是负值，恒小于100%；常采用另一定义GMR=ρ0−ρ(H)ρ(H)×100%，用此定义数值为正，且可大于100%。

(4) 无外磁场时，多层膜相邻铁磁层磁化反平行排列，电阻最大；加外磁场后，各层磁化平行排列，电阻最小。

(5) 多种磁性材料多层膜都有GMR，但并不是所有多层膜都有大的磁电阻。

2.3掺碱土金属稀土锰氧化物的庞磁电阻(CMR)到目前为止，对RE1−x T x MnO3(RE=La，Pr，Nd，Sm；T=Ca，Sr，Ba，Pb)，在x=0.2~0.5范围内都观测到CMR和铁磁性。

其CMR的特点为：(1) 数值远大于多层膜的GMR。

各向异性磁阻传感器的应用

传感器原理
当外部磁场加到这样的铁磁性薄膜上的时候，磁畴旋转，改变空间取向，这样使得薄膜条带构成的线阵的表观电阻发生改变。具体的说，电桥的相对的两个臂上的电阻增大，而另外两只相对的臂上的电阻减小，就反应在电桥电压输出的改变上。
各向异性磁阻传感器HMC1002
实验中采用HoneyWell公司的HMC1002 特性： *响应时间短（可以测高频交变磁场） *测量精度高（达10^(-8)T) *有两个敏感轴，可确定平面内大小方向
具体工作
* 实际工作中采用MFC编程实现图形显示和数据存储。
* 由于我们采用的是数值计算，因此找到速度快，精度高的算法是关键因素。在实现实验数据拟合时，为避免出现高阶的剧烈震荡，我们用了三次样条的插值算法。由于没有现成的C代码可用（网上搜不到），只好找到一个用Pascal写的程序，逐字逐句地改了过来;为了可以进行任意精度的计算，我们从STL库里继承了Vector类。重载了[]运算符，解决了数组大小的动态变化问题。
各向异性磁阻传感器的应用
——从设想到实践
指导教师：刘进老师合
物理系：刘奇电子系：虞南方裴轶
各向异性磁阻传感器(AMR)
原理： *Anisotropic Magnetoresistive Effect——各向
异性磁阻效应
*Unlike the Hall effect,AMR is fundamentally
只好找到一个伪代码描述自己来写。由于在给定的简化条件下，源形状为过固定端点的简单曲线（不考虑复值情况）。
*Unlike the Hall effect,AMR is fundamentally a quantum-mechanical effect. 比较实测场强值与理论计算值的差别。 * 由于我们采用的是数值计算，因此找到速度快，精度高的算法是关键因素。给定场的分布，有没有办法将源分布计算 set/reset功能管脚的应用是该磁阻传感器最有特色的地方，有必要做一些更具体的介绍: *响应时间短（可以测高频交变磁场）所以可以想像，时时对传感器进行复位操作（set/reset）可以使得磁畴总是从一个最初始的状态去感知外部磁场，这在测量不断变化的磁场的时候可以使得测得数据很准确的反应变化的磁场。从物理上说，磁畴是具有记忆性的：当先后将两个磁场A,B加到一组磁畴上后,磁畴的排布效果与仅将B磁场加到它上面磁畴的排布效果不同，即磁畴的排布与它感知的磁场“ ”有关，而不仅仅取决于当前的磁场。拟合场强分布，得到较光滑的场分布函数先粗略的看磁场变化趋势，保证不漏掉极值点。实验部分的几个技术问题： l 改变输出电压信号的极性；由于在给定的简化条件下，源形状为过固定端点的简单曲线（不考虑复值情况）。同时，honeywell1022磁阻传感器还内置了两组功能性的铁磁性电阻，外部相应的有两组功能管脚，称作offset管脚和set/reset管脚。实验中采用HoneyWell公司的HMC1002 将产生脉冲电路与输出带负载部分电路分开考虑拟合的曲线给出的图形和实际图形的对比为了消除这种效应，避免瞬时性的大磁场对传感器的不良冲击性影响，honeywell磁阻传感器芯片内置了set/reset功能。从物理上说，磁畴是具有记忆性的：当先后将两个磁场A,B加到一组磁畴上后,磁畴的排布效果与仅将B磁场加到它上面磁畴的排布效果不同，即磁畴的排布与它感知的磁场“ ”有关，而不仅仅取决于当前的磁场。在处理输入问题时，用了北大未名BBS上一位同学为MSflexGrid做的功能扩展头文件，非常方便，在此表示感谢。 *响应时间短（可以测高频交变磁场） l 改变输出电压信号的极性；用集电极开路非门7406多个门并联驱动负载，以减小输出阻抗，增大带负载能力。因此，导线形状决定了场强分布。

各向异性磁电阻(DOC)

各向异性磁电阻、巨磁电阻测量侯建强（南京大学匡亚明学院理科强化部2010级，学号：101242015）1.引言一般所谓磁电阻是指在一定磁场下材料电阻率改变的现象。

通常将磁场引起的电阻率变化写成)0()(ρρρ-=∆H ，其中)(H ρ和)0(ρ分别表示在磁场Ｈ中和无磁场时的电阻率。

磁电阻的大小常表示为：其中ρ可以是)0(ρ或)(H ρ。

绝大多数非磁性导体的MR 很小，约为10-5％，磁性导体的MR 最大约为3％～5％，且电阻率的变化与磁场方向与导体中电流方向的夹角有关，即具有各向异性，称之为各向异性磁电阻（Anisotropy magnetoresistance ，简记为AMR ）。

1988年，在分子束外延制备的Fe/Cr 多层膜中发现MR 可达50％。

并且在薄膜平面上，磁电阻是各向同性的。

人们把这称之为巨磁电阻（giant magnetoresesistance ，简记为GMR ），90年代，人们又在Fe/Cu 、Fe/Al 、Fe/Ag 、Fe/Au 、Co/Cu 、Co/Ag 和Co/Au 等纳米多层膜中观察到了显著的巨磁电阻效应。

1992年人们又发现在非互溶合金（如Fe 、Co 与Cu 、Ag 、Au 等在平衡态不能形成合金）颗粒膜如Co-Ag 、Co-Cu 中存在巨磁电阻效应，在液氮温度可达55%，室温可达到20%，并且有各向同性的特点。

1994年，人们又发现Fe/Al2O3/Fe 隧道结在4.2K 的MR 为30%，室温达18%，见图12.1-2。

之后在其他一些铁磁层/非铁磁层/铁磁层隧道结中亦观察到了大的磁电阻效应，人们将此称为隧道结磁电阻（Tunneling magnetoresistance 简记为TMR ）。

20世纪90年代后期，人们在掺碱土金属稀土锰氧化物中发现MR 可达103%～106%，称之为庞磁电阻（Colossal magnetoresistance ，简记为CMR ）。

《各向异性磁电阻》报告

各向异性磁电阻测量姓名：学号：院系：各向异性磁电阻测量引言磁电阻（MR）效应是指物质在磁场作用下电阻发生变化的现象。

按磁电阻效应的机理和大小，磁电阻效应一般可以分为：正常磁电阻（OMR）效应，各向异性磁电阻（AMR）效应，巨磁电阻（GMR）效应。

磁阻材料在高密度读出磁头磁传感器、微弱磁场测量、各类运动的检测等领域有着宽广的应用，从而成为国际上引人瞩目的研究领域。

图1为早期报道的Co-Cu颗粒膜磁电阻曲线。

磁电阻效应，特别是巨磁电阻效应的理论涉及较多的固体量子知识，CMR等尚未有比较完善的统一理论解释，这里不作介绍。

本文仅从纯粹的技术角度上测量各向异性磁电阻，不作物理细节上的深入划分。

实验原理各向异性磁电阻效应（AMR效应）指在铁磁性的过渡族金属、合金中，即材料的磁阻和其在磁场中的磁化方向有关，即磁阻值是其磁化方向与电流方向之间夹角的函数。

外加磁场方向与电流方向的夹角不同，饱和磁化时电阻率不一样，即有各向异性。

通常取外磁场方向与电流方向平行和垂直两种情况测量AMR 。

即有：Δρ∥＝ρ∥－ρ（０）Δρ⊥＝ρ⊥－ρ（０）这里ρ（０）为铁磁材料在磁场为零状态下的电阻率。

若退磁状态下磁畴是各向同性分布的，畴壁散射变化对磁电阻的贡献较小，将之忽略，通常取：3/)2(0//⊥+=≈ρρρρav ）（其中ρav 表示物质在饱和磁场H 中和磁场为零时的平均电阻率。

大多数材料ρ∥＞ρ（０），故：AMR 常定义为：图2是曾用作磁盘读出磁头和磁场传感器材料的Ni81Fe19的磁电阻曲线，很明显ρ∥>ρ（０），ρ⊥<ρ（０），各向异性明显。

图3是一些铁磁金属与合金薄膜的各向异性磁电阻曲线。

图中的双峰是材料的磁滞引起的。

av av avav av avav av ρρρρρρρρρρρρρρ//////2100∆=∆<-=∆>-=∆⊥⊥⊥00//0//ρρρρρρρ⊥⊥∆-∆=-=AMR实验内容1 实验方法介绍铁磁金属薄膜磁的电阻很低，所以它的电阻率测量需要采用四端接线法。

各项异性磁阻效应及磁场测量.

物理实验报告2014物理学专业实验题目:_ 各项异性磁阻效应及磁场测量姓名: 柯铭沣学号:____135012014071___________日期:__2015_年__9___月__28___日实验各向异性磁阻传感器及磁场测量[实验目的]1、掌握各向异性磁阻传感器的原理和特性；2、掌握各向异性磁阻传感器测量磁场的基本原理和测量方法。

[实验仪器]磁场测试仪，主要包括底座、转轴、带角刻度的转盘、磁阻传感器的引线、亥姆霍兹线圈、磁场测试仪控制主机(数字式电压表、5 V 直流电源等)。

[实验原理]1、各向异性磁阻传感器一定条件下，导电材料的电阻值R 随磁感应强度B 变化的规律称为磁阻效应。

当半导体处于磁场中时，导体或半导体的载流子将受洛伦兹力的作用而发生偏转，因而沿外加电场方向运动的载流子数量将减少，使得沿电场方向的电流密度减小，电阻增大。

（具体原理详见实验39“半导体材料的磁电阻效应研究”）。

各向异性磁阻传感器(Anisotropic Magneto-Resistive sensors, AMR) 是由沉积在硅片上的坡莫合金( Ni 80Fe 20) 薄膜形成的电阻，如图1所示。

除了具有磁阻效应，由于在沉积时外加磁场，AMR 形成易磁化方向，即当外加磁场偏离合金的内部磁化方向时，材料电阻减小，这就是各向异性磁阻效应。

AMR 的电阻与材料所处环境磁化强度M 和电流I 方向间的夹角有关，电流和磁化方向平行时电阻最大为R max ，而电流与磁化方向垂直时电阻最小为R min ，则电流和磁化方向成θ时, 电阻可表示为：()θ2min max min cos R R R R -+= (1)图1磁阻传感器的构造示意图图2磁阻传感器内部结构为了消除温度等外界因素的影响，本实验所用的磁阻传感器是一种单边封装的磁场传感器，传感器由四条铁镍合金磁电阻组成一个非平衡电桥，非平衡电桥输出部分接集成运算放大器，将信号放大输出，内部结构如图2所示。

各向异性磁电阻的测量

各向异性磁电阻的测量摘要：磁电阻是指在一定磁场下材料电阻率改变的现象，磁性导体的电阻率的变化与磁场方向与导体中电流方向的夹角有关，即具有各向异性，称之为各向异性磁电阻，简记为AMR 。

本文阐述了各向异性磁电阻（AMR ）的物理意义及测量方法，并测定了Fe-Ni 薄膜的AMR 。

关键词：磁电阻，AMR ，Fe-Ni 薄膜1. 引言一般磁电阻是指在一定磁场下材料电阻率改变的现象。

通常将磁场引起的电阻率变化写成Δρ=ρ（H ）-ρ（0），其中ρ（H ）和ρ（0）分别表示在磁场H 中和无磁场时的电阻率。

磁电阻的大小常表示为：其中ρ可以是ρ（0）或ρ（H ）。

绝大多数非磁性导体的MR 很小，约为%105-，磁性导体的MR 最大为3%~5%，且电阻率的变化与磁场方向与导体中电流方向的夹角有关，即具有各向异性，称之为各向异性磁电阻，简记为AMR 。

2. 实验原理一些磁性金属和合金的AMR 与技术磁化相对应，即与从退磁状态到趋于磁饱和过程的相应的电阻变化。

外加磁场与电流方向的夹角不同，饱和磁化时的电阻率不一样，即有各向异性。

通常取外磁场方向与电流方向平行和垂直两种情况测量AMR ，即有)0(////ρρρ-=∆和）（0-ρρρ⊥⊥=∆。

若退磁状态下磁畴是各向同性分布的，畴壁散射变化对磁电阻的贡献较小，将之忽略，则）（0ρ与平均值)2(3/1//⊥+=ρρρav 相等。

大多数材料)0(//ρρ>，故AMR 通常定义为如果av ρρ≠0，则说明该样品在退磁状态下有磁畴织构，即磁畴分布非完全各向同性。

图10.1 - 3是曾用作磁盘读出磁头和磁场传感器材料的1981Fe Ni 的磁电阻曲线，很明显)0(//ρρ>，)0(ρρ<⊥，各向异性明显。

图中双峰是材料的磁滞引起的。

图10.1 - 4是一些铁磁金属与合金薄膜的各向异性磁电阻曲线。

3.实验仪器亥姆霍兹线圈，电磁铁，大功率恒流电源，大功率扫描电源，精密恒流源，数字微伏表，四探针样品夹具4.实验内容一、方法1.将样品切成窄条，这在测AMR时是必需的。

各向异性磁阻传感器与磁场测量

图5-10-1磁阻电桥实验5-10 各向异性磁阻传感器与磁场测量物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应，磁阻传感器利用磁阻效应制成。

磁场的测量可利用电磁感应，霍耳效应，磁阻效应等各种效应。

其中磁阻效应法发展最快，测量灵敏度最高。

磁阻传感器可用于直接测量磁场，如弱磁场测量，地磁场测量，各种导航系统中的罗盘，计算机中的磁盘驱动器，各种磁卡机等等。

磁阻传感器也可通过磁场变化测量其它物理量，如利用磁阻效应已制成各种位移、角度、转速传感器，各种接近开关，隔离开关，广泛用于汽车，家电及各类需要自动检测与控制的领域。

磁阻元件的发展经历了半导体磁阻（MR ），各向异性磁阻（AMR ），巨磁阻（GMR ），庞磁阻（CMR ）等阶段。

本实验研究AMR 的特性并利用它对磁场进行测量。

【实验目的】1．了解AMR 的原理并对其特性进行实验研究。

2．测量赫姆霍兹线圈的磁场分布。

3．测量地磁场。

【实验原理】各向异性磁阻传感器AMR （Anisotropic Magneto-Resistive sensors ）由沉积在硅片上的坡莫合金（Ni80 Fe20）薄膜形成电阻。

沉积时外加磁场，形成易磁化轴方向。

易磁化轴是指各向异性的磁体能获得最佳磁性能的方向，也就是无外界磁干扰时磁畴整齐排列方向。

铁磁材料的电阻与电流和磁化方向的夹角有关，电流与磁化方向平行时电阻R max 最大，电流与磁化方向垂直时电阻R min 最小，电流与磁化方向成θ角时，电阻可表示为：R = R min ＋(R max －R min )cos2θ （5-10-1）在磁阻传感器中，为了消除温度等外界因素对输出的影响，由4个相同的磁阻元件构成惠斯通电桥，结构如图5-10-1所示。

图5-10-1中，易磁化轴方向与电流方向的夹角为45度。

理论分析与实践表明，采用45度偏置磁场，当沿与易磁化轴垂直的方向施加外磁场，且外磁场强度不太大时，电桥输出与外加磁场强度成线性关系。